Зона температурного оптимума цианобактерий в Куйбышевском водохранилище

Процесс массового развития цианобактерий (МРЦ) является характерным явлением для крупных равнинных водохранилищ с замедленным водным обменом [1-8]. В период летней межени процесс МРЦ негативно влияет на формирование качества вод. Вода приобретает неприятный запах и специфический цвет, уве личивается pH и содержание в воде органиче- Селезнева Ксения Владимировна, кандидат химических наук, научный сотрудник лаборатории мониторинга водных объектов ИЭВБ РАН, доцент ТГУ.

ских веществ, нарушается кислородный режим [9-11], появляется угроза токсического загрязнения [12, 13]. В этих условиях возникают риски использования водоемов для хозяйственно-питьевого водоснабжения, рыбного хозяйства и рекреации.

Распространение, продолжительность и интенсивность процесса МРЦ существенно зависит от гидрометеорологических факторов и, прежде всего, от температуры воды. С её увеличением процесс МРЦ активизируется, поскольку повышение температуры воды способствует высокой активности и росту цианобактерий [14, 15]. Кроме того, повышение температуры воды может не только способствовать росту цианобактерий, но и оказывать влияние на образование токсинов. Предполагается, что некоторые виды цианобактерий, не образующие токсинов, при повышении температуры воды начинают синтезировать токсины [16, 17].

Один из важнейших показателей глобального потепления климата является тренд на повешение температура приземного слоя атмосферы. По данным Росгидромета за последние 100 лет общее повышение температуры воздуха для территории России составило 1,0 °С, что на 0,4 °С выше, чем в среднем для Земного шара. Начиная с 70-х годов прошлого века каждое последующее десятилетие было теплее предыдущего. В последние годы повышение температуры воздуха происходит наиболее интенсивно. Согласно данным Всемирной метеорологической организации 2021 год стал седьмым годом подряд, когда глобальная температура воздуха была выше до индустриального уровня (1850-1900 гг.) более, чем на 1 °C. Ряд авторов полагает, что наблюдаемое глобальное потепление и повышение температуры поверхностных вод [18] следует рассматривать как важнейший природный процесс, способствующий стремительному распространению и доминированию цианобактерий в водохранилищах Средней и Нижней Волги [19-21].

Процесс МРЦ и его воздействие на формирование качества воды актино исследуют во всем мире. Уже достигнуты определенные успехи, однако многие вопросы, которые характеризуют количественные параметры процесса пературных условиях, пока изучены недостаточно. Настоящая статья посвящена определению продолжительности и интенсивности зоны температурного оптимума для процесса МРЦ на самом крупном в Европе Куйбышевском водохранилище.

Количественные параметры зоны температурного оптимума зависят от гидрометеорологических условий конкретного года, поэтому в перспективе представляется возможным их прогнозировать при различных сценариях глобальных или региональных климатических изменений.

Для оценки этих параметров выбраны последние шесть лет (2016-2021), которые представляют особый интерес из-за роста температуры приземного слоя атмосферного воздуха в Волжском бассейне.

ОБЪЕКТ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Куйбышевское водохранилище является самым крупным в Европе и расположено в центральной части Волжского бассейна (рис. 1). Входным створом по Волжской ветке является Чебоксарская ГЭС, по Камской ветке – Нижнекамская ГЭС, а замыкающий створ – Жигулев- для конкретных водоемов при различных тем-

Рис. 1. Расположение пунктов наблюдений за температурой воды на водохранилище Чебоксарская ГЭС; 2- Нижнекамская ГЭС; 3 – Жигулевская ГЭС)

ская ГЭС. Общая длина водохранилища с учетом волжской и камской веток составляет 750 км, площадь - 6450 км2, максимальная ширина – 41 км, максимальная глубина – 50 м при нормальном подпорном уровне 53 м БС.

Для массового развития цианобактерий на водохранилище температурный фактор является решающим, поэтому так важно выделять зону температурного оптимума (ЗТО) цианобактерий, определить её параметры: время начала и окончания процесса, его продолжительность и интенсивность, которые зависят от гидрометеорологических условий конкретного года.

Изучение термического режима водохранилища проводиться с момента его создания. Систематические измерения поверхностной температурой воды на гидрологических постах, равномерно расположенных по длине водоема, проводятся в прибрежной зоне водохранилища два раза в сутки (8 и 20 часов).

По данным наблюдений на гидрологических постах Росгидромета [22], средняя температура воды за летний период (июнь-август) на разных участках водохранилища изменяется незначительно в пределах 18,9-19,4 ºС. В северной части водохранилища на Волжской ветке (с. Вязовые) температура воды составляет 19,2 ºС, на Камской ветке (с. Сокольи Горы) – 18,9 ºС, в зоне смешения волжских и камских вод (г. Тетюши) -19,5 ºС и в центрой части (г. Сенгилей) – 19,4 ºС, в южной части (г. Тольятти) - 19,1 ºС. В сезонном разрезе наибольшая температура воды наблюдается в июле 20,8 ºС, а наименьшая в июне – 17,0 ºС. Однако, этих данных для определения параметров ЗТО явно недостаточно, нужны ежедневные данные наблюдений за температурой воды.

Для исследования зоны термического оптимума (ЗТО) применительно к процессу массового развития цианобактерий (МРЦ) использованы данные гидрометеорологических наблюдений в южной части водоема в период 2016-2021 годов. Измерения приземной температуры воздуха проводились на метеостанции города Тольятти. Для анализа использовались значения температуры воздуха на 8 часов. Си- стематические наблюдения за поверхностной температурой воды проводились в прибрежной зоне водохранилища (г. Тольятти). Измерения осуществлялись ежедневно в 8 часов поверхностным (родниковым) термометром в оправе Шпиндлера на глубине не менее 1 м. Цена деления термометра 0,2 °С, следовательно, отсчет с термометра снимался с точностью до 0,1 °С.

Для анализа временных рядов выбран эмпирический метод, основанный на обработке имеющихся данных гидрометеорологических наблюдений. В качестве критерия для определения параметров зоны термического оптимума выбрано значение температуры воды, равное 22 °С. Количество дней, с температурой воды ≥ 22 °С, рассматривается как продолжительность зоны температурного оптимума. Количество дней, с различной температурой воды, характеризует степень интенсивности зоны температурного оптимума. Интенсивность температурного оптимума подразделяется на градации: слабая (23 °С > t > 22 °С), умеренная (24 °С > t > 23 °С), сильная (25 °С > t > 24 °С), очень сильная (26 °С > t > 25 °С) и экстремальная (t > 26 °С).

РЕЗУЛЬТАТЫ ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Анализ данных наблюдений за период 2016-2021 годов показал (табл. 1), что температура воздуха (T) в летний период (июнь-август) разных лет составляла 21,1-23,8 °С и была выше нормы на 2,0-4,7 °С , установленной для периода 1952-1979 годов [23]. За период 2016-2021 годов самым теплым оказался 2021 год, а холодным -2017 год. Среди летних месяцев июль оказался самым теплым для 2018-2021 годов, а август – для 2016 и 2017 годов.

Температура воды (t) летом в период 20162021 годов изменялась в пределах 19,2-23,1 °С и превысила норму на 2,0-3,7 °С, установленную для периода 1957-1980 годов [22], на 2,0-3,7°С. Благодаря этому, сложились благоприятные температурные условия для процесса МРЦ. Однако, такие параметры, как продолжительность и интенсивность зоны температурного оптиму-

Таблица 1. Температура воздуха и воды в летний период 2016-2021 годов

Год	Месяц				Месяц
	VI	VII	VIII	VI- VIII	VI	VII	VIII	VI- VIII
	Температура воздуха (T)				Температура воды (t)
2016	20,3	23,6	24,1	22,7	19,5	22,6	24,1	22,1
2017	18,5	22,2	22,6	21,1	15,2	20,0	22,3	19,2
2018	20,3	24,2	21,7	22,1	16,2	23,4	22,8	20,8
2019	22,4	23,1	18,3	21,3	20,3	21,6	19,7	20,5
2020	18,9	25,3	19,5	21,2	17,9	23,0	21,2	20,7
2021	22,8	24,6	23,9	23,8	20,7	24,3	24,2	23,1
Норма	18,3	20,3	18,6	19,1	16,6	20,5	20,3	19,1

ма (ЗТО) существенно отличались год от года. Самым теплым оказался 2021 год.

2016 год . За летний период (июнь-август) средняя температура воздуха (Т) составила 22,7 °С (табл. 1) и превысила норму на 3,7 °С. Максимальная средняя месячная температура наблюдалась в августе и составила 24,1 °С. Превышение нормы для средней месячной температуре воздуха составило: в июне - на 2,0°С, в июле – на 3,3 °С, в августе – на 5,5 °С. Количество дней с Т ≥ 22 °С составила 60. Из них количество дней с температурой в диапазоне (23 °С > Т ≥22 °С) составило 8, в диапазоне (24 °С > Т ≥23 °С) - 11, в диапазоне (25 °С > Т ≥24 °С) – 17, в диапазоне (26 °С > Т ≥25 °С) – 8, в диапазоне (27 °С > Т ≥26 °С) – 6, в диапазоне (28 °С > Т ≥27 °С) – 4, в диапазоне (29 °С > Т ≥28 °С) – 5, в диапазоне (30 °С > Т ≥29 °С) – 0, в диапазоне (31 °С > Т ≥30 °С) – 1.

За летний период (июнь-август) средняя температура воды (t) составила 22,1 °С (табл. 1) и превысила норму на 3,0 °С. Превышение нормы для средней месячной температуры воды составило: в июне на 2,9 °С, в июле – на 2,1 °С, в августе – на 3,8 °С. В летней период выделены 2 зоны температурного оптимума для процесса МРЦ, когда наблюдался устойчивый переход температуры через 22 °С. Первая зона оптимума продолжалась всего 8 дней и наблюдалась с 21 по 28 июня (рис. 2). Вторая продолжительная (58 день) зона оптимума наблюдалась с 5 июля по 1 сентября. Объединенная за летний период зона оптимума составила 66 дней. Слабая интенсивность оптимума (23°С > t > 22°С) наблюдалась 22 дня, умеренная (24°С > t > 23°С) - 20 дня, сильная (25°С > t > 24°С) - 23 дня и очень сильная (26°С > t > 25°С) - 1 день.

2017 год. Летом средняя температура воздуха (Т) составила 21,1°С (табл.1) и превысила норму всего на 2,0°С. Максимальная средняя месячная температура наблюдалась в августе и составила 22,6°С. Превышение нормы для средней месячной температуре воздуха составило: в июне - на 0,2°С, в июле – на 1,9°С, в августе – на 4,0°С. Количество дней с Т ≥ 22°С составила 40. Из них количество дней с температурой в диапазоне (23°С > Т ≥22 °С) составило 11, в диапазо- не (24°С > Т ≥23 °С) - 7, в диапазоне (25°С > Т ≥24 °С) – 6, в диапазоне (26°С > Т ≥25 °С) – 7, в диапазоне (27°С > Т ≥26 °С) – 3, в диапазоне (28°С > Т ≥27 °С) – 4, в диапазоне (29°С > Т ≥28 °С) – 1, в диапазоне (30 °С > Т ≥29 °С) – 1, в диапазоне (31°С > Т ≥30 °С) – 0.

За летний период средняя температура воды (t) составила 19,2°С (табл. 1) и превысила норму всего на 0,1°С. Средняя месячная температуры воды была ниже нормы: в июне на 1,4°С, в июле – на 0,5°С, а в августе выше нормы на 2,0°С. В летней период выделены 2 зоны температурного оптимума. Первая зона продолжалась 17 дней и наблюдалась с 29 июля по 14 августа (рис. 2). Вторая короткая зона наблюдалась 9 дней с 20 по 28 августа. Суммарная продолжительность ЗТО составила 27 дней. Из них количество дней с интенсивностью температурного фактора (с t ≥ 23°) составило 5 дней. Слабая интенсивность оптимума (23 °С > t > 22 °С) наблюдалась 21 день и умеренная (24 °С > t > 23 °С) - 5 дней.

2018 год. Летом средняя температура воздуха (Т) составила 22,1 °С (табл. 1) и превысила норму на 3,0 °С. Максимальная средняя месячная температура наблюдалась в июле и составила 24,2 °С. Превышение нормы для средней месячной температуре воздуха составило: в июне - на 2,0 °С, в июле – на 3,9 °С, в августе – на 3,1 °С. Количество дней с Т ≥ 22 °С составило 52 дня. Из них количество дней с температурой в диапазоне (23°С > Т ≥22 °С) составило 5, в диапазоне (24 °С > Т ≥23 °С) - 7, в диапазоне (25 °С > Т ≥24 °С) – 9, в диапазоне (26 °С > Т ≥25 °С) – 10, в диапазоне (27 °С > Т ≥26 °С) – 13, в диапазоне (28 °С > Т ≥27 °С) – 4, в диапазоне (29 °С > Т ≥28 °С) – 3, в диапазоне (30 °С > Т ≥29 °С) – 0, в диапазоне (31 °С > Т ≥30 °С) – 1.

За летний период средняя температура воды (t) составила 20,8 °С (табл. 1) и превысила норму на 1,7 °С. В июне температура воды была ниже нормы 0,4 °С, а июле превышение нормы составило 2,9 °С, в августе – 2,5 °С (рис. 3). Летом выделены 2 зоны температурного оптимума: первая наблюдалась 23 дня с 1 по 23 июня, а вторая наблюдалась 28 дней с 25 июля по 21 августа (рис. 3). Суммарная за лето продолжительность

Рис. 2. Расположение зоны температурного оптимума (t > 22°) в 2016 и 2017 годах

ЗТО составила 52 дня. Из них количество дней с интенсивностью температурного фактора (с t ≥ 23 °С) составило 25, с t ≥ 24 °С - 8, с t ≥ 25 °С -1. Слабая интенсивность оптимума (23 °С > t > 22 °С) наблюдалась 27 дней, средняя (24°С > t > 23°С) - 16 дней, сильная (25 °С > t > 24 °С) - 28 дней и очень сильная (26 °С > t > 25 °С) - 1 день.

2019 год. Летом средняя температура воздуха (Т) составила 21,3 °С (табл. 1) и превысила норму на 2,2 °С. Максимальная средняя месячная температура наблюдалась в июле и составила 23,1 °С. Превышение нормы в июне составило 4,1 °С, в июле – 2,8 °С. В августе температура воздуха была ниже нормы на 0,3 °С. Количество дней с Т ≥ 22°С составило 48 дней. Из них количество дней с температурой в диапазоне (23°С > Т ≥22 °С) составило 9, в диапазоне (24 °С > Т ≥23 °С) - 11, в диапазоне (25 °С > Т ≥24 °С) – 4, в диапазоне (26 °С > Т ≥25 °С) – 9, в диапазоне (27 °С > Т ≥26 °С) – 5, в диапазоне (28 °С > Т ≥27 °С) – 6, в диапазоне (29 °С > Т ≥28 °С) – 2, в диапазоне (30 °С > Т ≥29 °С) – 2, в диапазоне (31 °С > Т ≥30 °С) – 0.

За летний период средняя температура воды (t) составила 20,5 °С (табл. 1) и превысила норму на 1,4 °С. Превышение нормы для средней месячной температуры воды составило: в июне на 1,3 °С, в июле – на 2,5 °С, в августе – на 0,9 °С. Летом выделены 2 зоны температурного оптимума: первая наблюдалась 5 дней с 23 по 27 июня, а вторая - 6 дней с 21 по 26 июля (рис. 3). Суммарная за лето продолжительность ЗТО составила 11 дней. Слабая интенсивность оптимума (23 °С > t > 22 °С) наблюдалась 10 дней, средняя (24 °С > t > 23 °С) - отсутствовала и сильная (25 °С > t > 24 °С) - 1 день.

2020 год. Летом средняя температура воздуха (Т) составила 21,2 °С (табл. 1) и превысила норму на 2,1 °С. Максимальная средняя месячная температура наблюдалась в июле и составила 25,3 °С. Превышение нормы для средней месячной температуре воздуха составило: в июне - на 0,6 °С, в июле – на 5,0 °С, в августе – на 0,9 °С. Количество дней с Т ≥ 22 °С составило 36 дней. Из них количество дней с температурой в диапазоне (23°С > Т ≥22 °С) составило 4, в диапазоне (24 °С > Т ≥23 °С) - 4, в диапазоне (25 °С > Т ≥24 °С) – 6, в диапазоне (26 °С > Т ≥25 °С) – 7, в диапазоне (27 °С > Т ≥26 °С) – 8, в диапазоне (28 °С > Т ≥27 °С) – 4, в диапазоне (29 °С > Т ≥28 °С) – 0, в диапазоне (30 °С > Т ≥29 °С) – 0, в диапазоне (31 °С > Т ≥30 °С) – 3.

За летний период средняя температура воды (t) составила 20,7 °С (табл. 1) и превысила норму на 1,6 °С. В июне температура воды была ниже нормы 0,4 °С, а июле превышение нормы составило 2,9 °С, в августе – 2,5 °С. Летом выделены 2 зоны температурного оптимума: первая наблюдалась 9 дней с 4 по 11 июля, а вторая наблюдалась 27 дней с 13 июля по 8 августа (рис. 4). Суммарная за лето продолжительность ЗТО составила 35 дней. Слабая интенсивность оптимума (23°С > t > 22°С) наблюдалась 10 дней, средняя (24 °С > t > 23 °С) - 18 дней, сильная (25 °С > t > 24 °С) - 6 дней и очень сильная (26 °С > t ≥ 25 °С) – 1 день (рис. 4).

2021 год. Летом средняя температура воздуха (Т) составила 23,8 °С (табл. 1) и превысила норму на 4,7 °С. Максимальная средняя месячная температура наблюдалась в июле и составила 24,6 °С. Превышение нормы для средней месячной температуре воздуха составило: в июне - на 4,5 °С, в июле – на 4,3 °С, в августе – на 5,3 °С. Количество дней с Т ≥ 22 °С составило 64. Из них количество дней с температурой в диапазоне (23 °С > Т ≥22 °С) составило 5, в диапазоне (24 °С > Т ≥23 °С) - 8, в диапазоне (25 °С > Т ≥24 °С) – 8, в диапазоне (26 °С > Т ≥25 °С) – 8, в диапазоне (27 °С > Т ≥26 °С) – 10, в диапазоне (28 °С > Т ≥27 °С) – 5, в диапазоне (29 °С > Т ≥28 °С) – 12, в диапазоне (30 °С > Т ≥29 °С) – 3, в диапазоне (31 °С > Т ≥30 °С) – 2, в диапазоне (32 °С > Т ≥31 °С) – 2, в диапазоне (33 °С > Т ≥32 °С) – 1.

Й 25

I 21

Рис. 3. Расположение зоны температурного оптимума в 2018 и 2019 годах

Рис. 4. Расположение зоны температурного оптимума в 2020 и 2021 годах

За летний период средняя температура воды (t) составила 23,1 °С (табл. 1) и превысила норму на 4,0 °С. Превышение нормы для средней месячной температуры воды составило: в июне на 4,1°С, в июле – на 3,8 °С, в августе – на 3,9 °С. В летней период выделены 2 зоны температурного оптимума. Первая зона оптимума продолжалась всего 17 дней и наблюдалась с 21 июня по 8 июля (рис. 4). Вторая продолжительная (55 день) зона оптимума наблюдалась с 9 июля по 1 сентября. Объединенная за летний период зона оптимума составила 72 дня. Слабая интенсивность оптимума (23 °С > t > 22 °С) наблюдалась 10 дней, умеренная (24 °С > t > 23 °С) - 15 дней, сильная (25 °С > t > 24 °С) - 23 дня, очень сильная (26 °С > t > 25 °С) - 24 дня и экстремальная (t ≥ 26 °С) -7 дней.

Анализ данных наблюдений показал, зона температурного оптимума ежегодно в период 2016-2021 годов наблюдалась на Куйбышевском водохранилище, когда летняя температура поверхностного слоя воды устойчиво переходила через значение 22 °С. Однако, степень интенсивности, продолжительность, даты начала и окончания зоны температурного оптимума существенно изменялись и зависели, в основном, от температуры воздуха (табл. 2).

Средняя продолжительность температурного оптимума для процесса МРЦ за 2016-2021 годы составила 44 дня. Наибольшая продолжительность наблюдалась в 2021 году и составила

72 дня, а наименьшая – в 2019 году и составила всего 11 дней. Следовательно, самым благоприятным для процесса МРЦ является 2021 год, а самым неблагоприятным – 2019 год.

За дату начала температурного оптимума в среднем принимается 1 июля, а за дату окончания – 19 августа. Ранняя дата начала температурного оптимума приходится на 21 июня (2016 и 2021 годы), а поздняя дата – на 4 июля (2020 год). Ранняя дата окончания температурного оптимума приходится на 26 июля (2019 год), поздняя дата – на 1 сентября (2021 год).

По степени интенсивности температурного оптимума самым благоприятным для развития процесса МРЦ является 2021 год, в котором 15 дней характеризуются умеренной интенсивностью, 23 дня – сильной интенсивностью, 24 дня – очень сильной и 7 дней – экстремальной интенсивностью.

ВЫВОДЫ

Анализ совместных наблюдений за температурой воздуха и воды на Куйбышевском водохранилище в период 2016-2021 годов показал, что летняя температура воздуха в приземном слое атмосферы формирует зону температурного оптимума для процесса массового развития цианобактерий.

Зона температурного оптимума для МРЦ ежегодно наблюдалась на Куйбышевском водо-

Таблица 2. Параметры зоны температурного оптимума

Год	Границы ЗТО	Период ЗТО	Количество дней с разной интенсивностью
			23>t>22	24>t>23	25>t>24	26 >t>25	t >26
2016	21.VI - 01.IX	66	22	20	23	1	-
2017	29.VII - 28.VIII	27	22	5	-	-	-
2018	01.VII - 21.VIII	52	16	25	8	1	-
2019	23.VI - 26.VII	11	10	-	1	-	-
2020	04.VII - 8.VIII	35	10	18	6	1
2021	21.VI - 01.IX	72	10	15	23	24	7

хранилище. Такие параметры, как степень интенсивности, продолжительность, даты начала и окончания температурного оптимума существенно изменялись в период 2016-2021 годов и зависели от температуры воздуха.

По продолжительности и степени интенсивности температурного оптимума самым благоприятным для развития процесса МРЦ является 2021 год. Продолжительность зоны температурного оптимума составила 72 дня, из которых 10 дней характеризуются слабой интенсивностью, 15 дней - умеренной интенсивностью, 23 дня – сильной интенсивностью, 24 дня – очень сильной и 7 дней – экстремальной интенсивностью. Неблагоприятным для развития МРЦ является 2019 год. Продолжительность зоны температурного оптимума составила всего 11 дней, из которых 10 дней характеризуются слабой интенсивностью и 1 день сильной интенсивностью.

С ростом температуры увеличивается продолжительность и степень интенсивности зоны температурного оптимума. Следовательно, при дальнейшем росте температуры воздуха из-за глобального потепления климата зона температурного оптимума будет расширяться. Увеличение продолжительности и интенсивности температурного оптимума активизирует процесс массового развития цианобактерий, что негативно отразиться на экологическом состоянии и качестве воды Куйбышевского водохранилища.